電爐廢鋼預熱技術及其節(jié)能效益分析

王少強，操龍虎

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

近年來，以電弧爐煉鋼為核心的短流程煉鋼工藝，在工程投資、噸鋼資源消耗、能源消耗、占地面積和二氧化碳等污染物排放量比長流程煉鋼工藝少等優(yōu)點受到國家的高度重視，發(fā)展電爐煉鋼符合鋼鐵行業(yè)科學發(fā)展和低碳經濟發(fā)展的要求[1]。然而，由于工業(yè)用電及廢鋼的價格較高，電爐冶煉成本較轉爐成本高。因此采用更加節(jié)能的電爐冶煉工藝具有重要意義。

目前電爐節(jié)能降耗的手段主要有噴碳、留鋼操作、泡沫渣冶煉、氧燃燒嘴助熔、廢鋼預熱等技術手段，而廢鋼預熱技術是近30年來電爐節(jié)能降耗關注的重點方向[2]。廢鋼預熱主要是通過將廢鋼裝入預熱通道內，電爐冶煉過程中產生的高溫煙氣通過廢鋼從而將廢鋼預熱。預熱廢鋼可有效降低噸鋼電能消耗，實現節(jié)能降耗的目的[3]。

1 廢鋼預熱的節(jié)能效益分析

大量的研究者分析了廢鋼在熔池中的熔化行為，從結果可以認為，廢鋼熔化過程的示意圖如圖1所示。從圖1中可以看出，當廢鋼加入到鋼液中，首先在廢鋼表面會形成凝固層。此時廢鋼熔化過程的熱傳遞主要分為3個過程：

1)液態(tài)金屬液向凝固層表面進行對流傳熱q1

q1=αF(tL-tc)

(1)

式中:α為鋼液向凝固層表面的傳熱系數，W/(m2· ℃);tL和tc分別為鋼液溫度和凝固層表面溫度， ℃;F為廢鋼表面積，m2。

2)凝固層及廢鋼間的熱傳導q2

(2)

3)在廢鋼熔點溫度時，廢鋼從固相轉變?yōu)橐合嗟娜刍瘽摕醧3

q3=Hρv

(3)

式中：H為熔化潛熱，低碳鋼取75 W·h/kg；ρ為廢鋼的密度，7 900 kg/m3；v為固液相界面的遷移速度，m/h。

圖2所示為直徑為25.4 mm的25 ℃冷廢鋼在1 650 ℃鋼液中的相對直徑的變化行為，從圖2中可以看出，廢鋼在熔化過程分為2個階段[4]：①當廢鋼加入到熔池中，由于廢鋼表面溫度很低，廢鋼界面處鋼液溫度下降并逐漸形成凝固層，隨著對流傳熱，凝固層也逐漸熔化并消失，并定義凝固層形成及熔化完全的時間為τc；②當凝固層完全熔化之后，加入的廢鋼開始熔化，并定義廢鋼開始熔化至完全熔化的時間為τL，該熔化過程需要的熱量為廢鋼從固相轉變?yōu)橐合嗟娜刍瘽摕醧3，當廢鋼尺寸和鋼液溫度固定時，τL可認為是恒定值。從以上研究可知，廢鋼在鋼液中熔化時間τ=τc+τL。因此在不改變廢鋼原料尺寸和鋼液溫度時，縮短廢鋼熔化時間的主要手段是降低τc值。

圖1 廢鋼熔化過程示意圖

從圖2中可以看出，凝固層存在時間占了廢鋼熔化時間的60%左右，因此消除或減少凝固層存在的時間能顯著提高廢鋼熔化速率，降低電爐冶煉周期。從圖1的熔化曲線可以看出，當q2>q1時，廢鋼界面處的鋼液會發(fā)生凝固。因此，為了消除凝固現象，可提高鋼液向廢鋼表面的傳熱量q1或降低傳導熱量q2。根據式(1)可知，提高q1主要的方法是提高對流給熱系數α和鋼液溫度tL。提高對流給熱系數的主要操作方法是增加鋼液攪拌和留鋼操作，這部分內容本文不做考慮，而冶煉過程中鋼液溫度tL變化不大，對q1影響不明顯。目前最常用的提高廢鋼熔化速度，降低冶煉周期的方法是采用廢鋼預熱的手段。Li等[4]研究發(fā)現，提高廢鋼溫度可降低傳導熱量q2，并使τc顯著降低。當溫度達到890 ℃時，廢鋼與鋼液界面無凝固層出現，并直接發(fā)生熔化過程。因此，廢鋼預熱能促進廢鋼熔化，縮短冶煉周期。

圖2 廢鋼熔化過程的相對直徑變化

表1所示為廢鋼預熱溫度及熱焓分析，從表1中可以看出，隨著溫度的升高，廢鋼所含的能量越高，當廢鋼溫度為200 ℃時，理論上可使電爐降低電耗26.8 kW·h/t。當廢鋼入爐溫度達到600 ℃時，理論上電爐冶煉電耗能降低95.1 kW·h/t，且隨著溫度的繼續(xù)升高，電爐冶煉能耗會將進一步降低，按每度電0.6元來計算，可降低噸鋼冶煉成本達50元以上。

表1 廢鋼預熱溫度及其熱焓分析

2 廢鋼預熱技術

廢鋼預熱技術起源于20世紀80年代，并在90年代得到全面推廣，它能有效節(jié)約電能，促進廢鋼的熔化，縮短冶煉周期。目前廢鋼預熱的技術方式主要有兩種：豎井式預熱和水平式預熱。

1)豎井式預熱

20世紀90年代，德國Fuchs公司研制出新一代Fuchs電爐(見圖3)。其原理是在爐頂第四孔(直流電弧爐第二孔)的位置配一豎窯通道，與熔化室連通。并在豎窯的下部與熔化室之間增加一水冷活動托架，將豎爐與熔化室隔開，廢鋼分批加入到豎窯中。廢鋼經預熱后，打開托架加入爐中進行冶煉。該設備的廢鋼預熱溫度接近500 ℃。在一定留鋼量的條件下，可實現冶煉周期達到35～40min，提高生產率20%。但為了停留廢鋼，該豎井的高度相比其他預熱裝置要高，同時由于手指水冷限制了最大預熱溫度值[5]。后序開發(fā)的豎井式Quantum電爐[6-7]和Sharc電爐[8]，改進了指形托架的結構，使廢鋼在豎爐內發(fā)生黏結和堵塞的概率降低，并對豎爐內結構進行了重新設計，優(yōu)化了傳熱效果，使廢鋼預熱溫度達到500～600 ℃。

圖3 豎式電爐結構

劍鼻蝠生活在中美洲和南美洲，屬于雜食性動物。蝙蝠科動物的吻鼻部均長有鼻葉，這是一種構造復雜的皮膚衍生物，和蝙蝠自身具備的發(fā)射超聲波的功能息息相關。

圖4 ECOARC生態(tài)電爐豎井結構

此外，還有COSS電爐，如圖5所示。其廢鋼預熱裝置不直接與電爐相連，并取消了水冷托架。電爐煙氣從側壁向豎井內進行對流而預熱廢鋼，并采用推鋼的方式向爐內進行加料。該電爐結構減少了維護成本，廢鋼預熱溫度接近500 ℃。

2)水平式預熱

Consteel電爐系統(tǒng)是爐料連續(xù)喂入、預熱和熔煉的電爐煉鋼工藝，如圖6所示。在連續(xù)加料的同時，利用爐子產生的高溫廢氣對行進的爐料進行連續(xù)預熱。但由于高溫煙氣從廢鋼上部流過，并主要以輻射換熱的方式進行廢鋼預熱，而廢鋼與煙氣之間的直接對流換熱受到限制，使得熱傳遞系數很低，導致廢鋼入爐前的溫度僅250～300 ℃。目前Consteel電爐的冶煉電耗為350～380 kW·h/t，高于一般豎式電爐。但由于冶煉的穩(wěn)定性高，目前在國內運行的較多。為了解決預熱溫度低的問題，特諾恩開發(fā)了第二代Consteel電爐，其在預熱通道內安裝了空氣/天然氣燒嘴燒嘴來加熱廢鋼，可使廢鋼溫度接近500 ℃，節(jié)約電耗約60 kW·h/t[11-12]。

圖5 COSS電爐豎井結構

圖6 Conteel電爐結構

圖7為階梯進料型電弧爐，針對廢鋼預熱溫度低的缺點，同時結合了傳統(tǒng)的水平連續(xù)加料電爐的優(yōu)點，實現了廢鋼進料過程中的翻滾，改善了預熱效果，縮短冶煉周期，降低電耗。

圖7 階梯進料型電弧爐

3)其他形式預熱

其他還有料籃式電爐和雙殼電爐等，料籃式廢鋼預熱電爐其特點是電爐產生的高溫廢氣經沉降室后進入裝有廢鋼的預熱室進行預熱，平均預熱溫度在300～400 ℃，節(jié)約電能40 kW·h/t左右，達涅利開發(fā)的DANARC電爐在預熱之前無沉降室，平均預熱溫度可達400～500 ℃[13]。雙殼電爐的特點是當熔化爐(1)進行熔化時，所產生的高溫廢氣由第四孔經燃燒室后進行預熱爐內(2)預熱廢鋼。當爐1出鋼后，轉動電極裝置對爐(2)進行冶煉熔化廢鋼。一般預熱溫度約200 ℃，節(jié)約能耗20 kW·h/t[14]。表2所示為不同廢鋼預熱型電爐節(jié)能分析，從結果中可以看出，豎井式電爐廢鋼預熱效果較好，水平式及其他類型的預熱電爐的廢鋼預熱溫度較低，因此豎井式電爐的冶煉電耗相對降低。

表2 不同廢鋼預熱型電爐的節(jié)能分析

3 廢鋼預熱帶來的問題及解決方案

圖8 二英生成速率與溫度間的關系

圖9 EPC預熱系統(tǒng)

4 結論和展望

隨著國際對節(jié)能減排的越發(fā)重視，節(jié)能環(huán)保型電爐獲得了不斷發(fā)展。目前各種類型的廢鋼預熱型電爐均有自身的優(yōu)缺點，不因只關注于廢鋼預熱效果。我國在消化國內外先進的廢鋼預熱型電爐的技術之外，根據自身的原料、冶煉工藝及污染物控制的特點，選擇和開發(fā)適合自身發(fā)展的節(jié)能環(huán)保型電爐，努力實現使電爐技術朝著更節(jié)能、更環(huán)保的方向邁進。